12. Эволюция принципов относительности и дополняющих их постулатов

Постулаты теории относительности Эйнштейна

То, что всему миру известно, как теория относительности Эйнштейна, в действительности представляет собой две теории. Вторую из них Альберт Эйнштейн представил в 1915 году, она являла собой общие представления гениального учёного о времени и пространстве – потому и получила название общей теории относительности. Но за десять лет до этого, в 1905 году, учёный сформулировал специальную (частную) теорию относительности, которая в большей степени имеет прикладное значение – в ней содержались главные постулаты научной теории, которая изменила представление о мире.

Выход из научного кризиса

Несмотря на то, что никто не оспаривает гениальность Эйнштейна, вместе с тем ничто в науке не появляется на пустом месте. Сложно представить, сколько пришлось бы ждать появления теории относительности, если бы не очевидный кризис, который постиг физику в конце XIX века. Дело в том, что бурное развитие теоретической и практической физики на тот момент привели учёных к тому, что им нужно было искать какую-то новую фундаментальную опору для научного мировоззрения. Дело в том, что классическая механика Исаака Ньютона, замечательно объяснявшая все процессы, происходящие с макротелами (то есть с предметами привычного для человека масштаба), совершенно не годилась для объяснения открытых свойств микрочастиц, в том числе и частиц света.

Неприменимость законов классической механики к распространению света была известна давно, но был найден временный выход из этого затруднения. Была выдвинута теория, что свет распространяется в особом веществе, так называемом эфире, который и придаёт ему уникальные свойства. Но в конце XIX века у исследователей уже были практические возможности проверить это предположение. Исследователи Майкельсон и Морли провели множество опытов для доказательства наличия эфира – но все эти опыты весьма убедительно доказали, что никакого эфира нет. А вскоре было подтверждено научное предсказание Максвелла, который считал, что свет распространяется по принципу электромагнитных волн. С изобретением радио оказалось, что электромагнитные волны распространяются с такой же скоростью, что и свет. Это противоречило законам классической динамики, что и привело к кризису физики того времени.

Постулат первый: принцип относительности

Оглушительный эффект, которые произвели три статьи молодого физика Альберта Эйнштейна, опубликованные в одном из научных немецких журналов в 1905 году, и был связан с тем, что выдвинутые в специальной теории относительности постулаты предлагали выход из научного кризиса. Первый постулат (в физике постулатом называется утверждение, которое в рамках конкретной теории принимается как истинное без доказательств) в итоге и дал название всей теории и был сформулирован как принцип относительности. Принцип относительности звучит следующим образом: все законы природы инвариантны (то есть неизменяемы) по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчёта к другой.

Инерциальной системой отсчёта является система отсчёта, по отношению к которой выполняется закон инерции и скорость света в вакууме является постоянной. Тогда оказывается, что принцип относительности означает – во всех подобных системах отсчёта все физические законы имеют одинаковую форму. Все инерциальные системы отсчёта обладают между собой равноправием в том смысле, что все физические явления в этих системах протекают одинаково. Это связано с тем, что никакие опыты, проводимые внутри данной системы, не позволяют определить, находится ли данная система отсчёта в покое или в движении. Таким образом, принцип относительности был прямым ответом на загадку опытов Майкельсона и Морли по изучению особенностей распространения света.

Постулат второй: принцип постоянства скорости света

Второй постулат специальной теории относительности Эйнштейна гласит: скорость света в вакууме постоянна и одинакова по отношении» к любым инерциальным системам отсчета и не зависит ни от скорости источника света, ни от скорости его приемника. Это означает, что ни один материальный объект не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Кроме того, ни одна частица вещества (с массой покоя, отличной от нуля), не в состоянии даже достичь скорости света в вакууме. Если ко второму постулату применить действие правила классической механики о сложении скоростей (скорость движущегося тела относительно неподвижной системы отсчёта равна сумме скорости самого тела и скорости подвижной системы отсчёта), то он вступал бы в противоречие с первым постулатом специальной теории относительности.

Но так как постулаты в рамках теории в доказательстве не нуждаются, это означает, что правило сложения скоростей и ряд других принципов классической механики в ряде случаев не действуют. Тем самым специальная теория относительности не отвергла полностью классическую механику и все существовавшие в физике прежде представления о мире, а дополнила их и обозначила те границы, в которых эти законы действуют, а за которыми – уже нет. Это позволило науке выйти из кризиса рубежа XIX-XX веков и развиваться дальше. В дальнейшем теория относительности и её постулаты получили множество экспериментальных подтверждений, что и сделало её фундаментальной основой науки вплоть до настоящего момента.